Николай Вершинский - Загадки океана
Именно так было в эпоху кайнозоя, в период между ранним и средним эоценом, т. е. 55–45 млн. лет назад. В этот промежуток времени, в течение примерно 10 млн. лет, на Земле удерживался очень теплый и влажный климат. Он способствовал буйному развитию растительности.
Выделение больших количеств углекислоты в этот период американские ученые связывают с перестройкой срединно — океанических хребтов и других спрединговых центров, благодаря чему увеличилась гидротермальная активность. Как следствие — резко возросло выделение углекислого газа, возник глобальный «парниковый» эффект. Отмечены и другие периоды перестройки тектонических структур и вызванные этим изменения климата. Однако эти связи в других случаях прослеживаются менее четко. В наши дни выход углекислого газа в атмосферу за счет гидротерм составляет 14—2 2 % общего поступления. Эти цифры достаточно велики. Но не все ученые согласны с выводами американских ученых.
Углекислый газ в гидротермах образуется в результате химической реакции. Выделение его определяется реакцией обмена между ионами магния, содержащимися в соленой воде, и ионами кальция, вымываемыми из горячей базальтовой породы. Извлекаемые оттуда ионы кальция образуют СаСО3 и выпадают в осадок — это мел. Одновременно выделяется углекислый газ, поступающий сначала в воду, а потом в атмосферу.
Мертвая и живая вода
Внутренние волны. Вот какой удивительный случай произошел однажды с Ф. Нансеном на "Фраме".
При подходе к кромке льда вдруг резко замедлился ход судна. Машина работала на полных оборотах, а «Фрам» едва двигался. Как будто его кто‑то удерживал. Небольшое расстояние до кромки льда судно шло дольше, чем шлюпка под веслами… А вокруг была глубокая чистая вода, не считая отдельных небольших льдин на поверхности. Никаких видимых препятствий для движения. В чем же дело?
Происшествие это случилось во время экспедиции Ф. Нансена в высокие широты Арктики. В этой экс педиции было сделано много открытий: опровергнуто мнение о мелководности Северного Ледовитого океана, исследована структура и происхождение его водных масс, открыто влияние вращения Земли на движение льдов и др. В том числе обнаружено явление мертвой воды. Явление это впервые изучалось братьями Холлами еще в 1830 г. Теоретически оно было обосновано норвежским ученым Б. Экманом незадолго до экспедиции Ф. Нансена. Но до случая с «Фрамом» никто не думал, что мертвая вода может иметь такую силу.
Впрочем, неожиданные торможения движения судов в открытом море были известны и раньше. Парусные суда под действием мертвой воды сбивались с курса и переставали слушаться руля. Мореплаватели обвиняли в этом рыбу — прилипалу, будто бы присосавшуюся к днищу судна и способную тормозить его ход.
Эффект мертвой воды объясняется затратой энергии машины судна на образование и преодоление внутренних волн. Они возникают на границе раздела двух слоев воды с разной плотностью, так же как обычные поверхностные волны, которые образуются на границе раздела вода — воздух. Их хорошо видно благодаря отражению света от поверхности волн. Мы любим наблюдать за их бегом, следя за появлением «девятого» вала. Кстати, физики до сих пор спорят, есть он или нет.
С наблюдением за внутренними волнами дело обстоит гораздо сложнее. Они невидимы.
В 7 ч 30 мин 10 апреля 1963 г. американская атомная подводная лодка «Трешер» начала глубоководное погружение в Атлантическом океане в 220 милях от Бостона. На ее борту кроме штатного экипажа находились 17 гражданских специалистов — представителей промышленных фирм и завода — строителя. Цель погружения — проведение испытаний лодки на предельной глубине — до 360 м.
Командир лодки был обязан по гидроакустическому каналу выходить на связь с обеспечивающим судном «Скайларк» каждые 15 мин. В 9 ч 17 мин «Скайларк» принял последнее сообщение, из которого удалось разобрать только два слова: «…предельная глубина…» После чего на судне услышали шум, оцененный как разрушение прочного корпуса лодки. «Трешер» затонула на глубине 2800 м.
Ученые предполагают, что причиной гибели подводной лодки стали внутренние волны. В тот день в районе испытаний свирепствовал циклон. Он мог вызвать внутренние волны. Известно, что метеорологические явления вызывают генерацию внутренних волн. Позднее в этом районе были зарегистрированы мощные внутренние волны высотой до 100 м и периодом колебаний около 8 мин. Такие волны легко могли «затащить» лодку на глубину ниже предельной, на которую был рассчитан ее прочный корпус.
В 1969 г. во время подводного плавания на мезоскафе «Бен Франклин» в Гольфстриме руководитель экспедиции Жак Пикар отметил, что внутренние волны периодически поднимали «Бен Франклин» вверх на 30 м и тут же без какого‑либо вмешательства со стороны экипажа опускали мезоскаф за несколько минут на 50 м вниз.
Превышение максимальной глубины погружения «Трешера» на 50 м, т. е. на глубину 410 м, при весьма напряженных нормах расчета на прочность, принятых в США, естественно, привело к катастрофе. Попросту говоря, не хватило запаса прочности.
Советские ученые отмечают еще одну возможную причину: циклон вызвал сильное вихревое движение вод океана в районе погружения, что способствовало интенсивному перемешиванию верхнего слоя океана. В результате теплая вода (более легкая) из верхнего слоя могла быть затянута вниз. Если «Трешер» неожиданно попал в слой теплой воды вблизи предельной глубины, то он мог попросту провалиться ниже максимально допустимой отметки. Экипаж не успел продуть балластные цистерны.
Известны и другие физические процессы, которые угрожают целости подводных кораблей. Примерно в то же время погибла французская подводная лодка. В северо — западной части Средиземного моря она, видимо, попала в особый участок моря, где был «колодец». Так теперь иногда называют большое пятно на поверхности моря с холодной водой. Температура воды на поверхности «колодца» близка к температуре воды у дна. Может быть, даже чуть — чуть ниже, а соленость выше из‑за усиленного испарения воды с поверхности моря под влиянием ураганного ветра. В результате нарушается устойчивость: плотность воды у поверхности «колодца» становится выше плотности нижележащих слоев.
Поверхностная вода начинает опускаться вниз, на дно. Образуется конвективная ячейка, называемая глубокой конвекцией. Иногда образуется гигантский подводный водопад. Подводному судну, попавшему в такой поток, грозит гибель — его неминуемо унесет в глубину, где корпус его будет раздавлен повышенным гидростатическим давлением. Это явление очень мало изучено. Необходимо выяснить условия, вызывающие его образование. Ведь известно, например, что снежные лавины срываются иногда с гор из‑за самого слабого звука. Может ли вход подводной лодки в зону проникающей конвекции вызвать обрушение? Это одна из загадок Мирового океана.
Давно ушли в прошлое времена, когда капитан Немо погружался на своем «Наутилусе» в тихие глубины океана от всех земных горестей. Мировой океан оказался куда сложнее, чем он представлялся раньше. Для безаварийного плавания в его глубинах требуется не только постоянная бдительность, но и новые приборы, которые предупреждали бы штурманов о разных сюрпризах. Но вернемся к внутренним волнам.
В обычных условиях мы не можем их видеть. Но в школьном кабинете физики или даже дома можно поставить опыт с подкрашенной водой, что позволит наблюдать внутренние волны. Для этого надо иметь стеклянную (или пластиковую) трубку диаметром 4–5 см, длиной около 1 м. Один конец трубки должен быть запаян или заклеен. Впрочем, его можно плотно закрыть пробкой. Надо еще иметь и вторую пробку для закрывания другого конца трубки в ходе опыта.
Поставьте трубку наклонно на стол (закрытым концом вниз) и налейте в нее очень соленой воды примерно на 1/3 высоты. Ее надо приготовить заранее, растворив 200–250 г. поваренной соли в 1 л воды.
А теперь долейте в трубку пресной воды, подкрашенной какой‑нибудь краской, примерно до 2/з ее высоты. Доливать воду надо так осторожно, чтобы струи подкрашенной воды не проникали в столб соленой воды (воду надо лить очень медленно, может быть, даже несколько увеличить наклон трубки). Когда вся подкрашенная вода будет вылита в трубку, закройте пробкой ее верхний конец и медленно переведите трубку в вертикальное положение. А потом быстро наклоните ее до горизонтального положения. Во время наклона трубки вы увидите, как побегут внутренние волны между слоями двух переливающихся жидкостей.
Это — красивый опыт. Волны можно даже успеть сфотографировать. Подобная фотография приведена на рисунке на с. 114. Вместо соленой воды можно взять какое‑нибудь жидкое масло, например трансформаторное или силиконовое. Для успеха опыта не так важен химический состав жидкостей, как разность их плотностей. При использовании масла в качестве одной из жидкостей, вторую подкрашивать не требуется.
